這是國內高校首次以第一作者單位，在Science上發表以電卡制冷為主題的研究論文!

　　錢小石教授領導的上海交通大學機械與動力工程學院前瞻交叉研究中心在12月1日的《Science》雜志上發表了一篇名為“Colossal electrocaloric effect in an interface-augmented ferroelectric polymer”的論文。該論文描述了一種高分子拓撲界面外延技術的開發，通過小分子晶體犧牲層誘導高分子極化界面的廣泛形成，使得鐵電聚合物在外部電場的作用下展現出巨大的熵變。這種技術在傳統的偏氟乙烯基弛豫鐵電高分子中實現了龐電卡效應，并揭示了拓撲外延的極化界面在外加電場調控下的熵變機理。

　　錢小石教授是本文的唯一通訊作者，博士生鄭珊瑜為論文的第一作者。值得一提的是，這已經是錢小石課題組本年度第二次以第一作者單位在《Science》上發表論文。

　　巨電卡效應，這種奇特的凝聚態物理現象，利用固體電介質在充放電過程中交替極化-退極化產生可逆的電致溫變，從而組成制冷循環。電卡制冷系統具有電能損耗小、能效高、零溫室效應潛能以及易于小型化、輕量化的特點，為制冷劑的替代和雙碳目標的實現提供了重要的顛覆性前瞻技術。

　　通過降低弛豫體極性疇尺寸的策略，可以降低兩個極性熵態間偶極翻轉能壘，從而增加電場誘導的偶極熵變。目前所報道的晶疇尺寸都在100-20納米，但由于弛豫鐵電體復雜的結晶過程，將晶疇尺寸進一步減小到亞納米尺度極具挑戰性。

　　研究人員在弛豫鐵電體聚合物中混溶低沸點多元醇有機小分子DMHD，利用兩者分子間相互作用，在非均相界面上誘導聚合物非極性單元向極性相的構像自組裝，巧妙引入大量小而多的亞納米極性孔界面來提升材料熵變。在同等外加電場(100 MV/m)驅動，納米孔界面增強的聚合物表現出的熵變是普通聚合物的4倍。在20%擊穿電場的低電場下，改性后的材料熵變達到100 J/(kg.K)，電卡強度超過1 J/(kg.K.MV)。通過結構和介電分析探討了電卡增強的機理，并利用相場分析和朗道理論對其進行了證實。同時進行密度泛函理論和分子動力學模擬，進一步理解界面極性相構像在分子尺度上的自組裝行為。所得的界面增強聚合物的制冷能力達到5x103 J/kg，并且保持300萬次穩定循環運行。

　　論文利用小分子自身的低沸點特性和與聚合物良好的相容性，在真空熱退火中，小分子從體系中完全蒸發，留下大量分散均勻的亞納米尺寸的孔。利用納米紅外表征技術表明納米孔界面處保留了由于分子間氫鍵相互作用產生的極性構象，與傳統弛豫鐵電高分子相比，這些極性構象都出現在晶粒的邊緣，而非晶粒的中間。稠密的亞納米尺寸的二維極性界面取代了百納米級別的三維極性納米疇區，成為電卡效應主要的貢獻者。無需化學反應的參與，傳統的P(VDF-TrFE-CFE)三元弛豫鐵電高分子在低電場下的電卡效應提升了300%。

　　本文首次報道利用光致紅外超光譜儀(hyPIR)采集了電卡聚合物1600-780 cm-1光譜范圍內的紅外吸收化學圖像，可以直觀研究材料界面增強的極性高熵態和其他聚合物構象。改性樣品不僅表現出明顯的界面全反式極性構像增強信號，同時形成更多的聚合物構像類型，具有更強的多相共存特性。與普通聚合物相比，TPD樣品對電場響應會更敏感，因此具有更強的電卡效應。

　　采用Landau-Ginzburg-Devonshire熱力學模型，并輔以相場模擬來模擬實驗測試的ECE，以提供定量的理解。通過對介電性能分析，極化強度和介電常數的提升證實了界面增強型電卡效應材料的存在。同時介電擊穿電場也提高了近150%，有利于電卡制冷實際循環運行。作為犧牲劑的DMHD創造的極性構像提高了材料整體的介電性能，沒有像永久性復合填料那樣帶來各種不利并發癥。改性后的納米孔極性界面暴露在不受物理約束的自由體積中，這顯著提高了TPD樣品的單位極化對熵的貢獻能力。

　　TPD巨電卡效應在室溫附近具有良好的溫度穩定性，可以覆蓋10℃到70℃的有效溫度窗口，因此可以得到最大的RC制冷能力。TPD的制冷效率COPmat和普通聚合物相比提高了250%，這可進一步減小電源的尺寸和重量，為潛在的便攜式電卡冷卻裝置提供動力。TPD樣品在最長300萬次的循環壽命(> 70天)內表現出優越的電卡誘導熵變化，使其成為實用電卡器件的良好候選者。

　　這是國內高校首次以第一作者單位在Science上發表以電卡制冷為主題的研究論文。論文研究工作獲得多個團隊支持，其中澳大利亞核科學與技術平臺的準彈性中子散射實驗由上海交通大學物理學院、自然科學研究院教授洪亮團隊完成;機動學院陳江平教授，北京理工大學黃厚兵團隊和南京大學楊玉榮團隊為本研究提供了重要支撐。此外，Molecular Vista公司和布魯克(北京)科技有限公司也參與了關于納米紅外的研究工作。